大功率LED灯具散热结构优化设计与实验研究(3)

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在当前科学技术和生产工艺水平下，LED 的光电转换率可达 25～35%，其余的能量将以热能的形式释放出来，导致 LED 的芯片温度升高。温度升高会导致 LED 芯片电板与界面间和其他材料内部缺陷间的杂质会引入发光区，引发 LED 器件的光衰；同时， LED 长期在高温环境中，其透明环氧树脂封装材料会逐渐变质发黄，降低透光性；其三，荧光粉在高温下的衰减十分严重。[4]这三者将导致 LED 光输出效率降低、寿命缩短、芯片老化加快、色温和显色指数发生变化及器件稳定性降低等问题。LED 结面温度与发光亮度是呈反比线性的关系，温度越升高，LED 亮度就会越暗；而结温对 LED 寿命的影响呈指数性降低。如温度从 50℃变成 2 倍的 100 ℃时，使用寿命将从 20,000 小时缩短成 1/4 倍的 5,000 小时。随着封装技术及材料研发的进步，LED 封装热阻不断降低，从最初的 360K/W,依次降至 125K/W、75K/W、15K/W,到如今的 10K/W 以下。可见 LED 封装散热效率显著提高。但人们不断追求高亮度、高功率、高密度，新封装的各种 LED

应用。在密集排列的有限空间内，用大电流来驱动单颗 LED 灯珠，虽能产生高亮的光需求，但伴随着散热的严峻考验。因此大功率、小尺寸、密封装 LED 的散热问题越来越成为阻碍大功率 LED 发展的瓶径。

1.2 大功率 LED 散热途径

对于大功率 LED 灯具而言，结温升高会伴随着芯片老化，同时使得 LED 的光输出效率降低、寿命缩短、色温和显色指数发生变化并降低器件稳定性。因此，LED 的散热对于 LED 的性能有着重要意义。LED 散热可以从两个方面来解决，一方面是提高光电转化效率，降低芯片产生的热量；另一方面可以改善 LED 传热通道和扩大散热面积，有效地将热量传导和散出，从而降低芯片结温。LED 光电转化效率与芯片的内量子效率和外量子效率有关。目前已有许多相关的研究，在这里就不再详述。分析 LED 模组散热结构可知， LED 模组散热的主要途径是 LED 芯片-热界面材料-基板-热界面材料-散热器-环境。因此，改善 LED 传热通道和扩大散热面积，主要包括封装级散热、热界面材料和结构散热设计。本文重点讨论热界面散热和结构散热。

1.2.1 热界面散热

LED 芯片支架、PCB、散热器之间需要通过热界面材料来进行粘连，以建立有效的热传导通道，大幅降低接触热阻，获得良好的散热效果。热界面材料在改善 LED 散热方面起着决定性作用。热界面材料主要包括包括导热胶、导电银胶、金属焊膏。由于银胶固化后的热导率并不高，仅限于中小功率 LED，所以针对大功率 LED 的热界面材料重点集中在导热胶和金属焊膏两种热界面材料的研究。

导热胶是单组分、导热型、室温固化有机硅粘接密封胶。通过空气中的水份发生缩合反应放出低分子引起交联固化，而硫化成高性能弹性体。导热胶主要指导热聚合物，一般可分为本征型和填充型两种。其中本征型导热聚合物常见的有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等，主要通过聚合物本身超大共轭体系或高度取向性形成导热通道。另一种填充型聚合物制备相比较容易实现，聚合物由于分子链的无规缠结，分子量多分散性及分子链振动队声子的散射，导致其无法形成热传递所需要的有需晶体结构货载荷子，导热性能相对金属而言较差。因此可以通过添加高导热性的金属或者无机填料来提高其导热性能。 [5]即通过在聚合物中填充高导热填料，这是导热界面材料最常见的制备方法。导热界面材料基本由基体和导热填料两部分组成，其中填料对导热网络形成至关重要，常见的填料有金属、陶瓷、碳质和混杂填料。常见的金属填料有 Cu、Al、Ag、Ni 等，但金属填料密度大，与树脂结合能力弱，电绝缘性差，不适宜制备有轻质和绝缘要求的复合材料。陶瓷类填料如 BN、AlN、Al2O3、SiO2、ZnO 等，但制备的复合材料导热和力学性能并未有较大程度的提高。石墨、金刚石、炭黑、石墨烯、碳纳米管以及碳纤维等碳质填料具有高热导率、低密度、低热膨胀系数和良好的高温机械性能等优点，是目前导热填料论文网